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Razones del ángulo doble

En el Estadio Quisqueya, un jugador lanza la pelota desde el jardín hacia el home. Hasta dónde llega depende de $\operatorname{sen}(2\theta)$, no de $\theta$ solo. ¿Por qué aparece el doble del ángulo? En ingeniería y en física el ángulo doble sale todo el tiempo, y conviene tener sus razones ya «empaquetadas» en una fórmula, sin sumar el ángulo consigo mismo cada vez. Al final de la página volveremos a este lanzamiento.

De dónde salen las fórmulas

El ángulo doble es una suma de dos ángulos iguales: $2\alpha = \alpha+\alpha$. Para deducir sus razones partimos de las fórmulas del ángulo suma, que aquí te recordamos.

Basta sustituir $\beta$ por $\alpha$ en cada una.

Circunferencia goniométrica que representa un ángulo doble como la suma de dos ángulos alfa iguales y consecutivos. α α 2α = α + α

El coseno del ángulo doble tiene tres formas equivalentes: todas valen lo mismo. Usa la que mejor combine con tus datos (solo $\cos\alpha$, solo $\operatorname{sen}\alpha$, o ambos).

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Simplifica la siguiente expresión trigonométrica a un único valor numérico exacto: $4\sin(15^\circ)\cos(15^\circ)$

Simplifica la siguiente expresión trigonométrica a un único valor numérico exacto:

$4\sin(15^\circ)\cos(15^\circ)$

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Sabiendo que $\cos(x) = 0.6$, determina el valor de $\cos(2x)$ utilizando exclusivamente la identidad que relaciona el coseno del ángulo doble con el coseno del ángulo…

Sabiendo que $\cos(x) = 0.6$, determina el valor de $\cos(2x)$ utilizando exclusivamente la identidad que relaciona el coseno del ángulo doble con el coseno del ángulo simple.

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Con una sola razón conocida

Si solo conoces $\operatorname{sen}\alpha$ o $\cos\alpha$ (y el cuadrante), halla la otra razón con $\operatorname{sen}^2\alpha+\cos^2\alpha=1$ y luego aplica la fórmula del ángulo doble. Si conoces $\tan\alpha$, la fórmula de la tangente se usa directamente.

Triángulo rectángulo de catetos 3 y 4 e hipotenusa 5 con el ángulo alfa en el vértice izquierdo. α 3 4 5
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Sabiendo que $\sin(\alpha) = \frac{4}{5}$ y que $\alpha$ es un ángulo del primer cuadrante, calcula el valor exacto de $\sin(2\alpha)$.

Sabiendo que $\sin(\alpha) = \frac{4}{5}$ y que $\alpha$ es un ángulo del primer cuadrante, calcula el valor exacto de $\sin(2\alpha)$.

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Dado que $\cos(\alpha) = -\frac{1}{3}$ y que $\alpha$ pertenece al segundo cuadrante, determina el valor exacto de $\cos(2\alpha)$.

Dado que $\cos(\alpha) = -\frac{1}{3}$ y que $\alpha$ pertenece al segundo cuadrante, determina el valor exacto de $\cos(2\alpha)$.

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Si $\tan(\alpha) = \frac{3}{2}$, calcula el valor de $\tan(2\alpha)$ expresando el resultado como una fracción irreducible.

Si $\tan(\alpha) = \frac{3}{2}$, calcula el valor de $\tan(2\alpha)$ expresando el resultado como una fracción irreducible.

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Simplificar expresiones

Muchas expresiones con un producto de seno y coseno, o con diferencias de cuadrados, son una fórmula del ángulo doble disfrazada. Reconocer el patrón ahorra calculadora.

Esquema de la simplificación de cuatro por seno de quince grados por coseno de quince grados hasta obtener uno. 4·sen(15°)·cos(15°) = 2·sen(30°) = 1

Comprobar identidades

El programa pide comprobar identidades: se transforma un miembro hasta obtener el otro. Con el ángulo doble, el truco es sustituir y simplificar.

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Calcula el valor exacto de la siguiente expresión sin utilizar la calculadora: $\cos^2\left(\frac{\pi}{8}\right) - \sin^2\left(\frac{\pi}{8}\right)$

Calcula el valor exacto de la siguiente expresión sin utilizar la calculadora:

$\cos^2\left(\frac{\pi}{8}\right) - \sin^2\left(\frac{\pi}{8}\right)$

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Escribe la siguiente expresión en función de una única razón trigonométrica del ángulo $x$, simplificando al máximo: $\frac{\sin(2x)}{2\sin(x)}$

Escribe la siguiente expresión en función de una única razón trigonométrica del ángulo $x$, simplificando al máximo:

$\frac{\sin(2x)}{2\sin(x)}$

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Halla el valor exacto de la siguiente operación utilizando las identidades del ángulo doble: $\frac{2\tan(22.5^\circ)}{1 - \tan^2(22.5^\circ)}$

Halla el valor exacto de la siguiente operación utilizando las identidades del ángulo doble:

$\frac{2\tan(22.5^\circ)}{1 - \tan^2(22.5^\circ)}$

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Un mecanismo de tijera para un elevador hidráulico tiene un pivote central que forma un ángulo de apertura $2\alpha$. La fuerza de cizalladura en el pasador central…

Un mecanismo de tijera para un elevador hidráulico tiene un pivote central que forma un ángulo de apertura $2\alpha$. La fuerza de cizalladura en el pasador central viene dada por una expresión proporcional a $F(\alpha) = \frac{1 - \cos(2\alpha)}{\sin(2\alpha)}$. Demuestra que esta expresión se puede simplificar a una única razón trigonométrica del ángulo $\alpha$.

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Demuestra la siguiente identidad trigonométrica, transformando el primer miembro hasta obtener el segundo: $\frac{\sin(2x)}{1 + \cos(2x)} = \tan(x)$

Demuestra la siguiente identidad trigonométrica, transformando el primer miembro hasta obtener el segundo:

$\frac{\sin(2x)}{1 + \cos(2x)} = \tan(x)$

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Demuestra la siguiente identidad trigonométrica, válida para cualquier ángulo $x$ donde las expresiones estén definidas:…

Demuestra la siguiente identidad trigonométrica, válida para cualquier ángulo $x$ donde las expresiones estén definidas:

$\frac{1 + \sin(2x) - \cos(2x)}{1 + \sin(2x) + \cos(2x)} = \tan(x)$

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Ecuaciones con el ángulo doble

Cuando una ecuación mezcla $\operatorname{sen}(2x)$ (o $\cos(2x)$) con razones de $x$ sin doblar, el primer paso es sustituir la fórmula del ángulo doble para dejar todo en función del mismo ángulo. Después se factoriza o se resuelve como cuadrática en una razón.

Circunferencia con las cuatro soluciones pi medios, tres pi medios, cuatro pi tercios y cinco pi tercios. π/2 3π/2 4π/3 5π/3
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Resuelve la siguiente ecuación trigonométrica, encontrando todas las soluciones en el intervalo $[0, 2\pi)$: $\sin(2x) + \sqrt{3}\cos(x) = 0$

Resuelve la siguiente ecuación trigonométrica, encontrando todas las soluciones en el intervalo $[0, 2\pi)$:

$\sin(2x) + \sqrt{3}\cos(x) = 0$

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Resuelve la siguiente ecuación trigonométrica y da las soluciones en grados para el intervalo $[0^\circ, 360^\circ)$: $\cos(2x) - 3\sin(x) = 2$

Resuelve la siguiente ecuación trigonométrica y da las soluciones en grados para el intervalo $[0^\circ, 360^\circ)$:

$\cos(2x) - 3\sin(x) = 2$

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Resuelve la siguiente ecuación trigonométrica, determinando todas las soluciones en el intervalo $[0, 2\pi)$: $\tan(2x) \times \tan(x) = 1$

Resuelve la siguiente ecuación trigonométrica, determinando todas las soluciones en el intervalo $[0, 2\pi)$:

$\tan(2x) \times \tan(x) = 1$

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Demuestra primero la identidad $\cos^4(x) - \sin^4(x) = \cos(2x)$. A continuación, utiliza este resultado para resolver la ecuación $\cos^4(x) - \sin^4(x) = \frac{1}{2}$…

Demuestra primero la identidad $\cos^4(x) - \sin^4(x) = \cos(2x)$. A continuación, utiliza este resultado para resolver la ecuación $\cos^4(x) - \sin^4(x) = \frac{1}{2}$ en el intervalo $[0^\circ, 360^\circ)$.

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Ecuaciones con un parámetro

A veces la ecuación lleva una letra $k$ y te preguntan cuántas soluciones tiene según el valor de $k$. El método es: sustituir el ángulo doble, llamar $u$ a la razón que queda, despejar $k$ y ver cuántas veces la expresión de $u$ toma cada valor de $k$.

Hay un detalle clave: en $\left[0,\frac{\pi}{2}\right]$, el seno crece de $0$ a $1$, así que cada $u=\operatorname{sen}x\in[0,1]$ corresponde a un solo $x$. Contar soluciones en $x$ es lo mismo que contar soluciones en $u\in[0,1]$.

Parábola g(u) = -2u² + 2u + 1 para u entre 0 y 1, con máximo 1.5 en u = 0.5 y valor 1 en los extremos. máximo 1.5 1 0 0.5 1 u
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Encuentra los valores del parámetro $k \in \mathbb{R}$ para los cuales la ecuación $\cos(2x) - 4\sin(x) + k = 0$ tiene exactamente una solución en el intervalo…

Encuentra los valores del parámetro $k \in \mathbb{R}$ para los cuales la ecuación $\cos(2x) - 4\sin(x) + k = 0$ tiene exactamente una solución en el intervalo $\left[0, \frac{\pi}{2}\right]$.

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Un seno y un coseno juntos: valor máximo

A veces una expresión mezcla $\operatorname{sen}x\cos x$ y $\operatorname{sen}^2x$, y te piden su valor máximo. La idea es llevarla a la forma $a\operatorname{sen}(2x)+b\cos(2x)$ y de ahí leer el máximo.

Para pasar de cuadrados a ángulo doble se usan las dos formas del coseno que ya conoces, despejadas:

$$\operatorname{sen}^2x=\dfrac{1-\cos(2x)}{2}\qquad\cos^2x=\dfrac{1+\cos(2x)}{2}$$

Y para combinar seno y coseno del mismo ángulo $u$ se usa esta propiedad.

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La función de ingresos de una empresa por la venta de un producto estacional viene dada por la expresión $I(x) = 5\sin(x)\cos(x) - 2\sin^2(x) + 1$, donde $x$ es el…

La función de ingresos de una empresa por la venta de un producto estacional viene dada por la expresión $I(x) = 5\sin(x)\cos(x) - 2\sin^2(x) + 1$, donde $x$ es el tiempo en meses transcurrido ($x \ge 0$). Expresa $I(x)$ en función de $\sin(2x)$ y $\cos(2x)$, y determina el ingreso máximo que puede alcanzar la empresa.

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Área de un triángulo con un ángulo doble

Si conoces dos lados de un triángulo y el ángulo que forman, el área no necesita la altura: se calcula directamente con el seno de ese ángulo.

Triángulo con lados a y b que forman un ángulo C, y la altura h = b por seno de C trazada sobre el lado a. C a b h

Cuando el ángulo entre los lados es el doble de otro, $2\alpha$, el área es $\frac12ab\operatorname{sen}(2\alpha)=ab\operatorname{sen}\alpha\cos\alpha$, y el ángulo doble permite calcularla con una sola razón de $\alpha$.

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En una circunferencia de centro $O$ y radio $R$, el ángulo central $\widehat{AOB}$ mide $2\alpha$ y subtiende la cuerda $AB$. Un punto $P$ situado en el punto medio del…

En una circunferencia de centro $O$ y radio $R$, el ángulo central $\widehat{AOB}$ mide $2\alpha$ y subtiende la cuerda $AB$. Un punto $P$ situado en el punto medio del arco mayor subtiende un ángulo inscrito $\widehat{APB}$ que mide $\alpha$. Sabiendo que $\cos(\alpha) = \frac{4}{5}$, calcula la razón (el cociente) entre el área del triángulo central $\triangle OAB$ y el área del triángulo inscrito $\triangle PAB$.

Circunferencia con ángulo central 2α y ángulo inscrito α sobre la cuerda ABα2αOPABRR△OAB△PABÁrea(△OAB) / Área(△PAB) = ?
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Aplicaciones y problemas

El ángulo doble aparece en el alcance de proyectiles, en techos de naves que duplican una inclinación de referencia y en mecanismos articulados. También sirve cuando conoces $\cos(2\theta)$ y quieres el ángulo $\theta$: las formas $\cos(2\theta)=1-2\operatorname{sen}^2\theta$ y $\cos(2\theta)=2\cos^2\theta-1$ despejan $\operatorname{sen}\theta$ y $\cos\theta$.

Perfil de dos cubiertas contiguas de una nave: la primera forma un ángulo alfa con la horizontal y la segunda forma un ángulo doble. α 2α cubierta 1 cubierta 2
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En la construcción de una nave industrial, se han diseñado dos cubiertas contiguas. La primera cubierta tiene una inclinación $\alpha$ respecto a la horizontal tal que…

En la construcción de una nave industrial, se han diseñado dos cubiertas contiguas. La primera cubierta tiene una inclinación $\alpha$ respecto a la horizontal tal que $\tan(\alpha) = 0.4$. Por motivos de drenaje de agua, la segunda cubierta se ha diseñado con un ángulo de inclinación que es exactamente el doble que el de la primera, es decir, $2\alpha$. Calcula la pendiente exacta (tangente) de la segunda cubierta.

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En física, el alcance máximo $R$ de un proyectil lanzado sobre un terreno horizontal se modela mediante la fórmula $R = \frac{v_0^2 \sin(2\theta)}{g}$, donde $v_0$ es la…

En física, el alcance máximo $R$ de un proyectil lanzado sobre un terreno horizontal se modela mediante la fórmula $R = \frac{v_0^2 \sin(2\theta)}{g}$, donde $v_0$ es la velocidad inicial, $\theta$ es el ángulo de lanzamiento y $g \approx 10 \text{ m/s}^2$ es la aceleración de la gravedad. Si un cañón de pruebas dispara un proyectil con una velocidad inicial de $30 \text{ m/s}$ y se desea alcanzar un objetivo situado a $45 \text{ m}$ de distancia, halla los posibles ángulos de lanzamiento $\theta$ en grados.

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Un rayo de luz incide sobre un sistema de espejos de manera que su ángulo de desviación final es $2\theta$. Si las mediciones del laboratorio indican que…

Un rayo de luz incide sobre un sistema de espejos de manera que su ángulo de desviación final es $2\theta$. Si las mediciones del laboratorio indican que $\cos(2\theta) = 0.28$ y sabemos que el ángulo de incidencia $\theta$ es agudo, determina el valor exacto de $\sin(\theta)$ y $\cos(\theta)$.

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En el rombo $ABCD$ de la figura, las diagonales miden $AC = 16 \text{ cm}$ y $BD = 12 \text{ cm}$. Sea $\alpha$ la mitad del ángulo interior en el vértice $A$. Calcula…
α α A B C D

En el rombo $ABCD$ de la figura, las diagonales miden $AC = 16 \text{ cm}$ y $BD = 12 \text{ cm}$. Sea $\alpha$ la mitad del ángulo interior en el vértice $A$. Calcula el valor exacto de $\sin(2\alpha)$ y $\cos(2\alpha)$ para determinar el seno y el coseno del ángulo completo $\widehat{A}$.

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Un brazo robótico plano consta de dos eslabones, ambos de longitud $L$. El primer eslabón forma un ángulo $\alpha$ con el eje horizontal positivo. El segundo eslabón…
X Y P α 2α

Un brazo robótico plano consta de dos eslabones, ambos de longitud $L$. El primer eslabón forma un ángulo $\alpha$ con el eje horizontal positivo. El segundo eslabón forma un ángulo $2\alpha$ respecto a la horizontal. La coordenada $x$ del efector final $P$ viene dada por la expresión $x_P = L\cos(\alpha) + L\cos(2\alpha)$. Determina el valor exacto del ángulo $\alpha \in [0, \pi/2]$ para el cual el efector final se sitúa exactamente sobre el eje Y ($x_P = 0$).

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Resuelve el siguiente sistema de ecuaciones trigonométricas para $x, y \in [0, \pi/2]$:…

Resuelve el siguiente sistema de ecuaciones trigonométricas para $x, y \in [0, \pi/2]$:

$\begin{cases} \sin(x)\cos(y) + \cos(x)\sin(y) = 1 \\ \cos(2x) - \cos(2y) = 0 \end{cases}$

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Resumen

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